[发明专利]以镁基金属氢化物为负极材料的空气电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能的空气电池，具体地说，是一种以镁氢化物或镁基合金氢化物为负极材料的高容量空气电池。

背景技术

锌空气电池的发明已经有上百年的历史，1878年法国科学家L.梅谢在锌锰电池中用含铂的多孔性炭电极代替二氧化锰，首次开发出了锌空气电池的技术。1917年法国科学家C.费里用活性炭代替铂以吸收氧，达到了锌空气电池的实用化。1932年G.W.海泽与E.A.舒梅赫尔发表了采用碱性电解液的锌空气电池。60年代由于对宇航用常温燃料电池的氧电极的研究得到了很大的成功，大功率锌空气电池的开发才达到了实际应用阶段。70年代中期发展了微型纽扣式锌空气电池。1995年以色列电燃料(Electric Fuel)有限公司首次将锌空气电池用于电动车上，使得空气电池进入了实用化阶段。美国DreisbackElectromotive公司以及德国、法国、瑞典、荷兰、芬兰、西班牙和南非等多个国家也都在电动车上积极地推广应用锌空气电池。

锌空气电池是以空气中的氧气作为正极活性物质，并通过载体活性碳做成的电极与以锌为活性物质的负极进行反应的电池，它以KOH溶液或NH₄Cl作电解液。以KOH溶液为电解质时，其基本工作原理为电池负极上的锌与电解液中的OH^-发生电化学反应(阳极反应)，释放出电子。同时空气负极反应层中的催化剂与电解液及经由扩散作用进入电池的空气中的氧气相接触，吸收电子，发生电化学反应(正极反应)。其电极反应为：

负极电化学反应：Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e

正极电化学反应：1/2O2+H₂O+2e→2OH^-

电池反应：Zn+1/2O₂→ZnO

锌电化学当量：0.82Ah/g，理论电压为1.6V，理论能量密度为1312Wh/Kg。

镁具有比锌更高的电化学当量，因此镁空气电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运、可使用温度范围宽(-20℃~80℃)及污染小等特点。作为一种高能化学电源，在可移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源、备用电源和电动汽车等方面具有广阔的应用前景。镁空气电池的负极电化学反应：

Mg+2OH^-→Mg(OH)₂+2e

正极电化学反应：

1/2O₂+H₂O+2e→2OH^-

电池反应：Mg+H₂O+1/2O₂→Mg(OH)₂

镁电化学当量为2.20Ah/g，镁空气电池的理论电压为3.09V，理论能量密度可达6798Wh/Kg，镁-空气电池具有比锌空气电池更大的能量密度。但是镁空气电池存在三个问题：(1)电压损耗大，(2)容量损失严重，(3)负极材料利用率低，(4)与锌空电池同样，需用铂或银作阴极催化剂，(5)空气中的二氧化碳有可能对碱性阳极液造成劣化。

为了解决上述问题，提高镁空气燃料电池的性能，必须提高负极材料的电化学当量，同时还需降低空气电池的成本，消除二氧化碳对阳极液的劣化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种比锌空气电池和镁空气电池容量更高的，以镁氢化物或镁基合金氢化物为负极材料的空气电池。

为解决上述技术问题，本发明中的空气电池以氯化铵水溶液、碱性溶液如KOH或NaOH的溶液、离子液体如氯代烷基咪唑、[bmin]OH中的任意一种为电解质，以阴离子交换膜或聚丙烯膜作隔膜隔断阳极和阴极。所述电解质浓度为1～6摩尔/升。

该空气电池以镁氢化物或镁基合金氢化物作为空气电池的阳极活性物质：镁氢化物或镁基金属氢化物可通过相应的镁或镁基金属进行氢化后获得。镁基金属可通过将各组分的纯金属熔融后获得，或者各组分的纯金属粉末通过高速行星磨球磨得到机械合金。

本发明中，空气电池的阳极通过下述方式制得：将粉末状的镁氢化物或镁基金属氢化物、导电高分子修饰的碳黑，与5wt.％的羧甲基纤维素钠溶液或5wt.％的聚乙烯醇溶液按质量比1∶0.1～0.5∶1～3的比例调制成浆料并充填于基材中，室温干燥后压制成阳极；所述基材为多孔金属材料或用导电纤维制成的多孔材料；在制得的阳极中，镁氢化物或镁基金属氢化物与基材的质量比为1∶0.05～0.5。